CN106949908A - 一种高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法。其特征在于：包括测量球模块、激光测量模块，所述测量球模块包括支撑杆、三轴姿态角传感器、测量球、第一主控制器；所述激光测量模块包括底座支架、安装板、4个激光位移传感器、第二主控制器。其优点在于将激光测量模块置于机器人执行末端工作运行轨迹上的某个点位置，测量球模块安装在机器人末端执行器，随着机器人末端执行器重复轨迹时，测量球模块均会经过激光测量模块，每经过一次，就进行一次空间坐标测量，对机器人末端执行器的运行轨迹误差进行一次修正，从而消除惯性测量带来的累计误差，提高运动轨迹追踪测量精度，保证运动轨迹的长期稳定性。

Description

一种高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法

技术领域

本发明涉及一种高精度空间轨迹姿态追踪技术领域,具体涉及一种高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法。

背景技术

多自由度工业机器人执行末端的空间运行轨迹及其姿态是工业机器人的一项非常重要的技术指标，但是由于目前缺乏工业机器人执行末端的空间运行轨迹及其姿态理想检测装置，难以实现工业机器人执行末端的空间运行轨迹及其姿态的在线实时精确追踪和测量，从而使目前工业机器人无法通过直接测量执行末端运行轨迹和姿态来实现全闭环伺服控制来达到较高的控制精度，而只能依靠半闭环伺服控制和极高的机械精度来保证执行末端的空间运行轨迹及其姿态精度，因此在控制精度及其控制鲁棒性上受到了极大的限制。

现在工业机器人运行轨迹重复定位精度测量主要采用激光跟踪仪对安装在机器人机械臂末端的反射球的球心空间坐标位置进行实时在线跟踪测量来实现运动轨迹的全轨迹测量，空间轨迹检测定位精度高，响应速度快，并且可同时测出空间运行线速度和加速度。但该设备价格昂贵，高达数十万欧元，且测试空间轨迹存在激光探测盲区，测量装置结构复杂，体积庞大，测试过程繁琐，因此只能应用于检测站实验室标定，而无法直接集成到工业机器人的现场在线轨迹测量反馈系统中。近年来，随着惯性检测技术的发展，出现了一些基于惯性传感器的空间轨迹检测装置，相对于激光跟踪仪惯性空间轨迹检测装置具有成本低、体积小、易于集成等优点。但是，由于惯性传感器的工作原理决定了其测量过程会存在较大的累计误差，当长时间测量时其累计误差会达到无法接受的程度。而目前对于惯性控制轨迹测量结果的修正大多采用GPS或机器视觉来进行辅助修正，其修正精度不高，从而使其难以满足工业机器人的控制精度要求。

发明内容

为了克服背景技术的不足，本发明提供一种高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法，解决现有装置修正精度不高，难以满足工业机器人控制精度要求的问题。

本发明所采用的技术方案： 一种高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法，涉及机器人末端执行器、机器人控制器及一种高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正装置；所述高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正装置包括测量球模块、激光测量模块；所述测量球模块包括支撑杆、三轴姿态角传感器、测量球、第一主控制器，所述支撑杆一端安装在机器人末端执行器，另一端连接测量球，所述三轴姿态角传感器安装在支撑杆连接测量球的一端，且处于测量球的中心位置；所述激光测量模块放置在机器人末端执行器工作运行轨迹的任意测量点位置，包括底座支架、安装板、4个激光位移传感器、第二主控制器，所述安装板固定在底座支架，其中3个激光位移传感器安装在所述安装板的其中一侧面，剩下的1个激光位移传感器安装在所述安装板的另一侧面，4个激光位移传感器的测量光轴相交于一个交点，且各个激光位移传感器到该交点的距离均相等；所述三轴姿态角传感器连接第一主控制器，第一控制器通过数据通讯模块连接第二主控制器，4个所述激光位移传感器通过AD转换模块连接第二主控制器, 所述第二主控制器连接机器人控制器；所述测量球模块能伸入激光测量模块，并将测量球与激光位移传感器测量光轴的交点重合；

其工作包括如下步骤：S1：将测量球模块安装到机器人末端执行器上，并将激光测量模块放置在工作运行轨迹边上的某个空间测量点位置固定，并通过通讯电缆将其与机器人控制器相连接，并将激光测量模块中4个激光位移传感器的测量光轴相交的交点作为测量系统坐标的原点；

S2：机器人末端执行器将测量球模块伸入激光测量模块中，开启轨迹误差修正功能，即通过激光测量模块反馈的球心位置，机器人控制器通过自行修正，使测量球模块的测量球的球心位置与原点重合；

S3：测量球模块的测量球的球心位置与坐标原点重合时，系统自动将测量球模块反馈的惯性测量坐标清零，从而完成惯性测量坐标标定；

S4：机器人末端执行器运行，离开激光测量模块回到工作运行轨迹上，并在完成规定运行轨迹动作后，重新回到原点位置；

S5: 重复S2、S3的步骤工作，使测量球模块的测量球的球心位置与坐标原点重合，并且对测量球模块反馈的惯性测量坐标清零；

S6:启动机器人末端执行器3按示教轨迹自动运行，重复S4、S5的步骤工作，即每次完成规定运行轨迹动作后，重新回到原点位置，使测量球模块的测量球的球心位置与坐标原点重合，并且对测量球模块反馈的惯性测量坐标清零。

所述支撑杆采用磁性材料，所述支撑杆与测量球之间通过磁性连接。

所述支撑杆连接测量球的一端呈锥形结构。

所述支撑杆中心设有通孔，呈中空结构。

所述支撑杆一端设有法兰，与机器人末端执行器通过法兰连接。

所述底座支架固定安装在一个磁力座上。

所述安装板上设有防撞板，弹性支撑件；所述防撞板通过弹性支撑件安装在安装板上，且其中心开设有与激光位移传感器的交点对应的开口，且开口略大于支撑杆，可供支撑杆穿过；所述安装板还设有光电开关，所述光电开关连接第二主控制器。

所述安装板上还设有温度传感器，所述温度传感器通过变送器连接第二主控制器。

所述数据通讯模块为蓝牙通讯模块。

所述三轴姿态角传感器、第一主控制器、数据通讯模块均通过锂电池供电电源模块进行供电。

本发明的有益效果是：采用以上方案，将激光测量模块置于机器人执行末端工作运行轨迹上的某个点位置，测量球模块安装在机器人末端执行器，随着机器人末端执行器重复轨迹时，测量球模块均会经过激光测量模块，每经过一次，就进行一次空间坐标测量，对机器人末端执行器的运行轨迹误差进行一次修正，从而消除惯性测量带来的累计误差，提高运动轨迹追踪测量精度，保证运动轨迹的长期稳定性。

图1为本发明实施例高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正装置结构示意图。

图2为本发明实施例测量球模块与激光测量模的结构示意图。

图3为本发明实施例测量球模块的结构示意图。

图4为本发明实施例激光测量模的结构示意图。

图5为本发明实施例测量球原理框图。

图6为本发明实施例激光测量模原理框图。

图中1-测量球模块，11-支撑杆，12-三轴姿态角传感器，13-测量球，14-法兰，2-激光测量模块，21-底座支架，22-安装板，23-激光位移传感器，24-磁力座，25-防撞板，251-开口，26-弹性支撑件，27-光电开关，28-温度传感器，3-机器人末端执行器，4-机器人控制器，5-机器人机械臂，6-工作运行轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

如图1所示，一种高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正装置，涉及机器人末端执行器3、机器人控制器4、测量球模块1、激光测量模块2。

所述机器人末端执行器3连接机器人机械臂5，带动机器人机械臂5按工作运行轨迹6不断重复动作，机器人控制器4用于控制机器人末端执行器3沿工作运行轨迹6工作，并能够对机器人末端执行器3的工作运行轨迹6上出现的误差进行修正。

如图所示，所述测量球模块1包括支撑杆11、三轴姿态角传感器12、测量球13、第一主控制器，所述支撑杆11一端安装在机器人末端执行器3，另一端连接测量球13，所述三轴姿态角传感器12安装在支撑杆11连接测量球13的一端，且处于测量球13的中心位置；

所述激光测量模块2放置在机器人末端执行器3的工作运行轨迹的任意测量点位置，所述激光测量模块2包括底座支架21、安装板22、4个激光位移传感器23、第二主控制器，所述安装板22固定在底座支架21，其中3个激光位移传感器23安装在所述安装板22的其中一侧面，剩下的1个激光位移传感器23安装在所述安装板22的另一侧面，4个激光位移传感器23的测量光轴相交于一个交点，且各个激光位移传感器23到该交点的距离均相等。

其中，所述三轴姿态角传感器12连接第一主控制器，三轴姿态角传感器12能将测量球13的球心当前XYZ轴空间姿态角度、角速度、角加速度等参数进行实时检测，并将实时数据传输给第一主控制器，从而实时计算出测量球13的球心运行轨迹数据，第一主控制器通过数据通讯模块连接第二主控制器，将得到的球心运行轨迹数据传输给第二主控制器；

同时，当测量球模块1伸入激光测量模块2内时，测量球13与交点对应，4个所述激光位移传感器23能将激光打到测量球13上得到激光位移传感器23到测量球13的距离，然后AD转换模块传输给第二主控制器，最终得到测量球13的球心位置，并计算出误差；

第二主控制器连接机器人控制器4，能将得到及计算出的信息反馈给机器人控制器4，从而机器人控制器4通过得到的信息数据进行自我修正，消除误差。

其中，在测量测量球13的球心位置的位置时，以4个激光位移传感器23的测量光轴相交的交点作为原点，并将测量球的球心与原点重合时，作为正确位置，当机器人机械臂5运行至放置激光测量模块2的点位置时，测量球模块1会伸入激光测量模块2内，并使测量球与交点对应，此时，激光位移传感器23的激光会打在测量球13上，并得到各自到测量球的距离数值，由于各激光位移传感器到原点的距离相等，且与原点的夹角是已知的，因此，能够推算出激光打在测量球相应位置点相对于原点的4个点空间坐标位置，再按这4个点的空间坐标即可求解出测量球的球心的精确坐标位置。

另外，三轴姿态角传感器12的运动轨迹测量、以及机器人控制器对误差的修正均为现有技术，这里不做具体赘述。

上述装置的具体实施步骤如下：

S1：将测量球模块1安装到机器人末端执行器3上，并将激光测量模块2放置在工作运行轨迹6边上的某个空间测量点位置固定，并通过通讯电缆将其与机器人控制器4相连接，并将激光测量模块2中4个激光位移传感器23的测量光轴相交的交点作为测量系统坐标的原点；

S2：机器人末端执行器3将测量球模块1伸入激光测量模块2中，开启轨迹误差修正功能，即通过激光测量模块2反馈的球心位置，机器人控制器4通过自行修正，使测量球模块2的测量球的球心位置与原点重合；

S3：测量球模块1的测量球的球心位置与坐标原点重合时，系统自动将测量球模块1反馈的惯性测量坐标清零，从而完成惯性测量坐标标定；

S4：机器人末端执行器3运行，离开激光测量模块2回到工作运行轨迹6上，并在完成规定运行轨迹动作后，重新回到原点位置；

S5: 重复S2、S3的步骤工作，使测量球模块1的测量球的球心位置与坐标原点重合，并且对测量球模块1反馈的惯性测量坐标清零；

S6:启动机器人末端执行器3按示教轨迹自动运行，重复S4、S5的步骤工作，即每次完成规定运行轨迹动作后，重新回到原点位置，使测量球模块1的测量球的球心位置与坐标原点重合，并且对测量球模块1反馈的惯性测量坐标清零。

将激光测量模块2置于机器人执行末端工作运行轨迹6上的某个点位置，测量球模块1安装在机器人末端执行器3，随着机器人末端执行器3重复轨迹时，测量球模块1均会经过激光测量模块2，每经过一次，就进行一次空间坐标测量，对机器人末端执行器3的运行轨迹误差进行一次修正，从而消除惯性测量带来的累计误差，提高运动轨迹追踪测量精度，保证运动轨迹的长期稳定性。

如图3所示，所述支撑杆11连接测量球13的一端呈锥形结构，使得安装测量球13时，利用锥面进行定位，保证测量球13与支撑杆11的同轴度，同时，支撑杆11可采用磁性材料，通过与测量球13通过磁性连接，不仅安装方便，而且进一步保证精度要求。

所述支撑杆11中心设有通孔，呈中空结构，可用于三轴姿态角传感器12的导线引出和安装时的空气排出。

所述支撑杆11一端设有法兰14，与机器人末端执行器3通过法兰14连接，安装方便。

如图4所示，所述底座支架21固定安装在一个磁力座24上，磁力座24可将激光测量模块2固定安装在任何需要测量重复定位精度的位置。

如图4所示，所述安装板22上设有防撞板25，弹性支撑件26；所述防撞板25通过弹性支撑件26安装在安装板22上，且其中心开设有与激光位移传感器23的交点对应的开口251，且开口251略大于支撑杆11，可供支撑杆11穿过；所述安装板22还设有光电开关27，所述光电开关27连接第二主控制器。当机器人严重偏离预定工作运行轨迹6时，测量球模块1就不会从开口251进入，而是会直接撞击在防撞板25上，防撞板25克服弹性支撑件26移动，从而触发光电开关27，发出信号给第二主控制器，第二控制器回馈到机器人控制器4，自动控制机器人停机，以免造成意外故障损坏。

其中，弹性支撑件26包括4根支柱及弹簧，且均布在防撞板25的四角位置，保证受力平衡，更加稳定可靠。

如图4所示，所述安装板22上还设有温度传感器29，所述温度传感器29通过变送器连接第二主控制器，所述温度传感器29用来测量当前环境温度并通过变送器传送到第二主控制器，实现自动温度补偿，进一步提高激光位移传感器23器的检测精度。

另外，所述数据通讯模块为蓝牙通讯模块，所述三轴姿态角传感器12、第一主控制器、数据通讯模块均通过锂电池供电模块进行供电，实现完全无线独立运行。

实施例不应视为对发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法，涉及机器人末端执行器（3）、机器人控制器（4）及一种高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正装置；

其特征在于：所述高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正装置包括包括测量球模块（1）、激光测量模块（2）；

所述测量球模块（1）包括支撑杆（11）、三轴姿态角传感器（12）、测量球（13）、第一主控制器，所述支撑杆（11）一端安装在机器人末端执行器（3），另一端连接测量球（13），所述三轴姿态角传感器（12）安装在支撑杆（11）连接测量球（13）的一端，且处于测量球（13）的中心位置；

所述激光测量模块（2）放置在机器人末端执行器（3）工作运行轨迹的任意测量点位置，包括底座支架（21）、安装板（22）、4个激光位移传感器（23）、第二主控制器，所述安装板（22）固定在底座支架（21），其中3个激光位移传感器（23）安装在所述安装板（22）的其中一侧面，剩下的1个激光位移传感器（23）安装在所述安装板（22）的另一侧面，4个激光位移传感器（23）的测量光轴相交于一个交点，且各个激光位移传感器（23）到该交点的距离均相等；

所述三轴姿态角传感器（12）连接第一主控制器，第一控制器通过数据通讯模块连接第二主控制器，4个所述激光位移传感器（23）通过AD转换模块连接第二主控制器, 所述第二主控制器连接机器人控制器（4）；

所述测量球模块（1）能伸入激光测量模块（2），并将测量球（13）与激光位移传感器（23）测量光轴的交点重合；

其工作包括如下步骤：S1：将测量球模块（1）安装到机器人末端执行器（3）上，并将激光测量模块（2）放置在工作运行轨迹（6）边上的某个空间测量点位置固定，并通过通讯电缆将其与机器人控制器（4）相连接，并将激光测量模块（2）中4个激光位移传感器（23）的测量光轴相交的交点作为测量系统坐标的原点；

S2：机器人末端执行器（3）将测量球模块（1）伸入激光测量模块（2）中，开启轨迹误差修正功能，即通过激光测量模块（2）反馈的球心位置，机器人控制器（4）通过自行修正，使测量球模块（2）的测量球的球心位置与原点重合；

S3：测量球模块（1）的测量球的球心位置与坐标原点重合时，系统自动将测量球模块（1）反馈的惯性测量坐标清零，从而完成惯性测量坐标标定；

S4：机器人末端执行器（3）运行，离开激光测量模块（2）回到工作运行轨迹（6）上，并在完成规定运行轨迹动作后，重新回到原点位置；

S5: 重复S2、S3的步骤工作，使测量球模块（1）的测量球的球心位置与坐标原点重合，并且对测量球模块（1）反馈的惯性测量坐标清零；

S6:启动机器人末端执行器3按示教轨迹自动运行，重复S4、S5的步骤工作，即每次完成规定运行轨迹动作后，重新回到原点位置，使测量球模块（1）的测量球的球心位置与坐标原点重合，并且对测量球模块（1）反馈的惯性测量坐标清零。

2.根据权利要求1所述的高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法，其特征在于：所述支撑杆（11）采用磁性材料，所述支撑杆（11）与测量球（13）之间通过磁性连接。

3.根据权利要求2所述的高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法，其特征在于：所述支撑杆（11）连接测量球（13）的一端呈锥形结构。

4.根据权利要求1所述的高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法，其特征在于：所述支撑杆（11）中心设有通孔，呈中空结构。

5.根据权利要求1所述的高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法，其特征在于：所述支撑杆（11）一端设有法兰（14），与机器人末端执行器（3）通过法兰（14）连接。

6.根据权利要求1所述的高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法，其特征在于：所述底座支架（21）固定安装在一个磁力座（24）上。

7.根据权利要求1所述的高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法，其特征在于：所述安装板（22）上设有防撞板（25），弹性支撑件（26）；所述防撞板（25）通过弹性支撑件（26）安装在安装板（22）上，且其中心开设有与激光位移传感器（23）的交点对应的开口（251），且开口（251）略大于支撑杆（11），可供支撑杆（11）穿过；所述安装板（22）还设有光电开关（27），所述光电开关（27）连接第二主控制器。

8.根据权利要求1所述的高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法，其特征在于：所述安装板（22）上还设有温度传感器（28），所述温度传感器（28）通过变送器连接第二主控制器。

9.根据权利要求1所述的高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法，其特征在于：所述数据通讯模块为蓝牙通讯模块。

10.根据权利要求1所述的高精度空间运动轨迹姿态追踪测量修正方法，其特征在于：所述三轴姿态角传感器（12）、第一主控制器、数据通讯模块均通过锂电池供电电源模块进行供电。